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IGBT高压大功率驱动和 保护电路的应用及原理

来源:武汉科琪电子有限 公司    编辑:佚名    时间:2018-10-1    点击数:

       通过对功率器件 IGBT的工作特性 分析、 驱动要求和保护方法等讨论,介绍了的一种可驱动高压大功率igbt的集成驱动模块 hcpl-3i6j的应用

  igbt在以变频器及各类 电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。igbt集双极型功率晶体 管和功率mosfet的优点于一体,具 有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

  但是, igbt和其它电力电子器 件一样,其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此,igbt的驱动和保护电路 是电路设计的难点和重点,是整个装置运行的关键环节。

  为解决 igbt的可靠驱动问题, 国外各igbt生产厂家或从事 igbt应用的企业开发出 了众多的igbt驱动集成电路或模 块,如国内常用的日本富士公司生产的 exb8系列,三菱电机公 司生产的m579系列,美国 ir公司生产的 ir21系列等。但是, exb8系列、m579系列和ir21系列没有软关断和 电源电压欠压保护功能,而惠普生产的hclp一316j有过流保护、欠压 保护和1gbt软关断的功能,且 价格相对便宜,因此,本文将对其进行研究,并给出1700v,200~300a igbt的驱动和保护电路 。

  1 igbt的工作特性

  igbt是一种电压型控制 器件,它所需要的驱动电流与驱动功率非常小,可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。igbt的导通与关断是由 栅极电压uge来控制的,当 uge大于开启电压 uge(th)时igbt导通,当栅极和发 射极间施加反向或不加信号时,igbt被关断。

  igbt与普通晶体三极管 一样,可工作在线性放大区、饱和区和截止区,其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究igbt的饱和导通和截止 两个状态,使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

  2 igbt驱动电路要求

  在设计 igbt驱动时必须注意以 下几点。

  1)栅极正向驱动电压 的大小将对电路性能产生重要影响,必须正确选择。当正向驱动电压增大时,.igbt的导通电阻下降, 使开通损耗减小;但若正向驱动电压 过大则负载短路时其短路电流ic随uge增大而增大,可能 使igbt出现擎住效应,导 致门控失效,从而造成igbt的损坏;若正向驱动电压过 小会使igbt退出饱和导通区而 进入线性放大区域,使igbt过热损坏;使用中选12v≤uge≤18v为好。栅极负偏置 电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使igbt误导通,一般负偏 置电压选一5v为宜。另外, igbt开通后驱动电路应 提供足够的电压和电流幅值,使igbt在正常工作及过载 情况下不致退出饱和导通区而损坏。

  2)igbt快速开通和关断有 利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下igbt的开关频率不宜过 大,因为高速开通和关断时,会产生很高的尖峰电压,极有可能造成igbt或其他元器件被击 穿。

  3)选择合适的栅极串 联电阻rg和栅射电容 cg对igbt的驱动相当重要。 rg较小,栅射极之间 的充放电时间常数比较小,会使开通瞬间电流较大,从而损坏igbt;rg较大,有利于抑制  dvce/dt,但会增加 igbt的开关时间和开关 损耗。合适的cg有利于抑制 dic/dt,cg太大,开通时间延 时,cg太小对抑制 dic/dt效果不明显。

  4)当igbt关断时,栅射电压 很容易受igbt和电路寄生参数的 干扰,使栅射电压引起器件误导通,为防止这种现象发生,可以在栅射间并接一个电阻。此外,在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,其稳压值应与正负栅压相同。

  3 hcpl-316j驱动电路

  3.1 hcpl-316j内部结构及工作原 理

  hcpl-316j的内部结构如图 1所示,其外部引脚 如图2所示。

  

 

  

 

  从图1可以看出, hcpl-316j可分为输入 ic(左边)和输出ic(右边)二部分,输入和输 出之间完全能满足高压大功率igbt驱动的要求。

  各引脚功能如 下:

  脚1(vin+)正向信号输入 ;

  脚2(vin-)反向信号输入 ;

  脚3(vcg1)接输入电源 ;

  脚4(gnd)输入端的地 ;

  脚5(resert)芯片复位输入端 ;

  脚6(fault) 故障输出,当发生 故障(输出正向电压欠压 或igbt短路)时,通过光耦输出 故障信号;

  脚7(vled1+)光耦测试引脚,悬 挂;

  脚8(vled1-)接地;

  脚9,脚10(vee)给igbt提供反向偏置电压 ;

  脚11(vout)输出驱动信号以驱 动igbt;

  脚12(vc)三级达林顿管集电 极电源;

  脚13(vcc2)驱动电压源 ;

  脚14(desat) igbt短路电流检测 ;

  脚15(vled2+)光耦测试引脚,悬 挂;

  脚16(ve)输出基准地。

  其工作原理如 图1所示。若vin+正常输入,脚 14没有过流信号,且 vcc2-ve=12v即输出正向驱动电 压正常,驱动信号输出高电平,故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到 jp3,d点低电平, b点也为低电平, 50×dmos处于关断状态。此 时jp1的输入的4个状态从上至下依 次为低、高、低、低,a点高电平,驱动三 级达林顿管导通,igbt也随之开通。

  若igbt出现过流信号 (脚14检测到igbt集电极上电压 =7v),而输入驱动信号 继续加在脚1,欠压信号为低电 平,b点输出低电平, 三 级达林顿管被关断,1×dmos导通,igbt栅射集之间的电压 慢慢放掉,实现慢降栅压。当vout=2v时,即vout输出低电平, c点变为低电平, b点为高电平, 50×dmos导通,igbt栅射集迅速放电。 故障线上信号通过光耦,再经过rs触发器,q输出高电平,使输 入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。

  3.2驱动电路设计

  驱动电路及参 数如图3所示。

  

 

  hcpl-316j左边的vin+,fault和reset分别与微机相连。 r7,r8,r9,d5,d6和c12 起输入保护作用, 防止过高的输入电压损坏igbt,但是保护电路会 产生约1μs延时,在开关频率 超过100khz时不适合使用。 q3最主要起互锁作用 ,当两路pwm信号(同一桥臂)都为高电平时, q3导通,把输入电平 拉低,使输出端也为低电平。图3中的互锁信号 interlock,和interlock2分别与另外一个 316j interlock2和interlock1相连。r1和c2起到了对故障信号 的放大和滤波,当有干扰信号后,能让微机正确接受信息。

  在输出端, r5和c7关系到igbt开通的快慢和开关 损耗,增加c7可以明显地减小 dic/dt。首先计算栅极电 阻:其中ion为开通时注入 igbt的栅极电流。为使 igbt迅速开通,设计, ionmax值为20a。输出低电平 vol=2v。可得

  

 

  c3是一个非常重要的 参数,最主要起充电延时作用。当系统启动,芯片开始工作时,由于igbt的集电极c端电压还远远大于 7v,若没有c3,则会错误地发出 短路故障信号,使输出直接关断。当芯片正常工作以后,假使集电极电压瞬间升高,之后立刻恢复正常,若没有c3,则也会发出错误 的故障信号,使igbt误关断。但是, c3的取值过大会使系 统反应变慢,而且在饱和情况下,也可能使igbt在延时时间内就被 烧坏,起不到正确的保护作用, c3取值100pf,其延时时间

  

 

  在集电极检测 电路用两个二极管串连,能够提高总体的反向耐压,从而能够提高驱动电压等级,但二极管的反向恢复时间要很小,且每个反向耐压等级要为1000v,一般选取 byv261e,反向恢复时间 75 ns。r4和c5的作用是保留 hclp-316j出现过流信号 后具有的软关断特性,其原理是c5通过内部mosfet的放电来实现软关 断。图3中输出电压 vout经过两个快速三极 管推挽输出,使驱动电流最大能达到20a,能够快速驱动 1700v、200-300a的igbt。

  3.3驱动电源设计

  在驱动设计中 ,稳定的电源是igbt能否正常工作的保 证。如图4所示。电源采用正 激变换,抗干扰能力较强,副边不加滤波电感,输入阻抗低,使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。

  

 

  当s开通时,+12v(为比较稳定的电源 ,精度很高)电压便加到变压器 原边和s相连的绕组,通过 能量耦合使副边经过整流输出。当s关断时,通过原边 二极管和其相连的绕组把磁芯的能量回馈到电源,实现变压器磁芯的复位。555定时器接成多谐振 荡器,通过对c1的充放电使脚 2和脚6的电位在4~8v之间变换,使脚 3输出电压方波信号 ,并用方波信号来控制s的开通和关断。 +12v经过r1,d2给c1充电,其充电时间 t1≈r1c2ln2;放电时间t2=r2c1ln2,充电时输出高电 平,放电时输出低电平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

  变压器按下述 参数进行设计:原边接+12v,频率为60khz,工作磁感应强度 bw为o.15t,副边+15v输出2a,-5v输出1 a,效率n=80%,窗口填充系数 km为o.5,磁芯填充系数 kc为1,线圈导线电流密 度d为3 a/mm2。则输出功率

  pt=(15+o.6)×2×2+(5+o.6)×1×2=64w。

  变压器磁芯参 数

  

 

  由于带载后驱 动电源输出电压会有所下降,所以,在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。

  4 结语

  本文设计了一 个可驱动l700v,200~300a的igbt的驱动电路。硬件 上实现了对两个igbt(同一桥臂)的互锁,并设计了 可以直接给两个igbt供电的驱动电源。

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